حركة

تُستخدم الميكانيكا الكلاسيكية لوصف حركة الأجسام الكبيرة التي تتحرك بسرعات أبطأ بكثير من سرعة الضوء، بدءًا من المقذوفات وصولًا إلى أجزاء الآلات ، فضلًا عن الأجرام السماوية ، مثل المركبات الفضائية والكواكب والنجوم والمجرات . وهي تُنتج نتائج دقيقة للغاية ضمن هذه المجالات ، وتُعدّ من أقدم وأشمل المناهج العلمية في العلوم والهندسة والتكنولوجيا .

تعتمد الميكانيكا الكلاسيكية أساسًا على قوانين نيوتن للحركة . تصف هذه القوانين العلاقة بين القوى المؤثرة على جسم ما وحركته. وقد جمعها السير إسحاق نيوتن لأول مرة في كتابه "الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية" ، الذي نُشر لأول مرة في 5 يوليو 1687. قوانين نيوتن الثلاثة هي:

1. يبقى الجسم الساكن ساكناً، ويبقى الجسم المتحرك متحركاً ما لم تؤثر عليه قوة خارجية. (يُعرف هذا بقانون القصور الذاتي ) .
2. قوة (${\displaystyle {\vec {F}}}$) يساوي التغير في الزخم لكل تغير في الزمن (${\displaystyle {\frac {\Delta m{\vec {v}}}{\Delta t}}}$بالنسبة لجسم ذي كتلة ثابتة، فإن القوة تساوي الكتلة مضروبة في التسارع.${\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}}}$).
3. لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه. (بمعنى آخر، عندما يبذل جسم ما قوة${\displaystyle {\vec {F}}}$على جسم ثانٍ (في بعض الحالات، يكون الجسم الثاني ساكنًا)، يقوم الجسم الثاني بممارسة القوة${\displaystyle -{\vec {F}}}$العودة إلى الجسم الأول.${\displaystyle {\vec {F}}}$و${\displaystyle -{\vec {F}}}$يكونان متساويين في المقدار ومتعاكسين في الاتجاه. لذا، فإن الجسم الذي يؤثر${\displaystyle {\vec {F}}}$(سيتم دفعها للخلف.) ^{[ 5 ]}

كانت قوانين نيوتن الثلاثة للحركة أول من قدم نموذجًا رياضيًا دقيقًا لفهم الأجسام التي تدور في الفضاء الخارجي . وقد وحد هذا التفسير حركة الأجرام السماوية وحركة الأجسام على الأرض.

تطورت الكينماتيكا الحديثة مع دراسة الكهرومغناطيسية ، وتشمل جميع السرعات.${\displaystyle v}$بالنسبة لنسبتها إلى سرعة الضوء${\displaystyle c}$ثم تُفسَّر السرعة على أنها سرعة الحركة ، وهي الزاوية الزائدية${\displaystyle \varphi }$والتي تكون دالة الظل الزائدي لها${\displaystyle \tanh \varphi =v\div c}$التسارع ، أي تغير السرعة مع الزمن، يتغير تبعًا لتحويلات لورنتز . يُعرف هذا الجزء من الميكانيكا بالنسبية الخاصة . وقد بذل كل من دبليو كي كليفورد وألبرت أينشتاين جهودًا لدمج الجاذبية في الميكانيكا النسبية . استخدم هذا التطوير الهندسة التفاضلية لوصف كون منحني مع وجود الجاذبية؛ وتُعرف هذه الدراسة بالنسبية العامة .

ميكانيكا الكم هي مجموعة من المبادئ التي تصف الواقع الفيزيائي على المستوى الذري للمادة ( الجزيئات والذرات ) والجسيمات دون الذرية ( الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات ، وحتى الجسيمات الأولية الأصغر مثل الكواركات ). تشمل هذه الأوصاف السلوك المتزامن للمادة وطاقة الإشعاع ، والذي يتسم بخصائص الموجة والجسيم، كما هو موضح في ازدواجية الموجة والجسيم . ^{[ 6 ]}

في الميكانيكا الكلاسيكية، يمكن حساب قياسات وتنبؤات دقيقة لحالة الأجسام، مثل الموقع والسرعة . أما في ميكانيكا الكم، وبسبب مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، فلا يمكن تحديد الحالة الكاملة للجسيم دون الذري، مثل موقعه وسرعته، في آن واحد. ^{[ 7 ]}

بالإضافة إلى وصف حركة الظواهر على المستوى الذري، فإن ميكانيكا الكم مفيدة في فهم بعض الظواهر واسعة النطاق مثل الميوعة الفائقة ، والموصلية الفائقة ، والأنظمة البيولوجية ، بما في ذلك وظيفة مستقبلات الشم وهياكل البروتين . ^{[ 8 ]}

يتمدد نسيج الزمكان (نسيج الكون) ، مما يعني أن كل شيء في الكون يتمدد، مثل شريط مطاطي . هذه الحركة هي الأكثر غموضًا، فهي لا تنطوي على حركة مادية، بل على تغيير جوهري في طبيعة الكون. المصدر الرئيسي للتحقق من هذا التمدد هو إدوين هابل، الذي أثبت أن جميع المجرات والأجرام السماوية البعيدة تبتعد عن الأرض، وهو ما يُعرف بقانون هابل ، الذي تنبأ به تمدد الكون. ^{[ 10 ]}

تتحرك مجرة ​​درب التبانة في الفضاء ، ويعتقد العديد من علماء الفلك أن سرعة حركتها تبلغ حوالي 600 كيلومتر في الثانية (1,340,000 ميل في الساعة) بالنسبة للمواقع المرصودة للمجرات القريبة الأخرى. ويُوفر إشعاع الخلفية الكونية الميكروي إطارًا مرجعيًا آخر ، حيث يشير هذا الإطار إلى أن مجرة ​​درب التبانة تتحرك بسرعة تقارب 582 كيلومترًا في الثانية (1,300,000 ميل في الساعة) . ^{[ 11 ]}  

تدور مجرة ​​درب التبانة حول مركزها المجري الكثيف ، وبالتالي تتحرك الشمس في مسار دائري ضمن جاذبية المجرة . بعيدًا عن الانتفاخ المركزي، أو الحافة الخارجية، تتراوح السرعة النجمية النموذجية بين 210 و240 كيلومترًا في الثانية (470,000 و540,000 ميل في الساعة) . ^{[ 12 ]} تتحرك جميع الكواكب وأقمارها مع الشمس. لذا، فإن النظام الشمسي في حركة دائمة. 

تدور الأرض حول محورها ، ويتجلى ذلك في تعاقب الليل والنهار . عند خط الاستواء، تبلغ سرعة الأرض شرقًا 0.4651 كيلومترًا في الثانية (1040 ميلًا في الساعة) . ^{[ 13 ]} كما تدور الأرض حول الشمس في مدارها . تستغرق دورة كاملة حول الشمس سنة واحدة ، أو حوالي 365 يومًا، بمتوسط ​​سرعة يبلغ حوالي 30 كيلومترًا في الثانية (67000 ميلًا في الساعة) . ^{[ 14 ]}   

تُشير نظرية الصفائح التكتونية إلى أن القارات تنجرف بفعل تيارات الحمل الحراري داخل الوشاح ، مما يُسبب تحركها عبر سطح الكوكب بسرعة بطيئة تبلغ حوالي 2.54 سنتيمتر ( بوصة واحدة) سنويًا. ^{[ 15 ] [ 16 ]} ومع ذلك، تتفاوت سرعات الصفائح بشكل كبير. تُعد الصفائح المحيطية الأسرع حركة، حيث تتقدم صفيحة كوكوس بمعدل 75 مليمترًا (3.0 بوصات) سنويًا ^{[ 17 ]} ، بينما تتحرك صفيحة المحيط الهادئ بمعدل 52-69 مليمترًا (2.0-2.7 بوصة) سنويًا. وعلى النقيض، تُعد الصفيحة الأوراسية الأبطأ حركة ، حيث تتقدم بمعدل نموذجي يبلغ حوالي 21 مليمترًا (0.83 بوصة) سنويًا.    

ينقبض قلب الإنسان بانتظام لضخ الدم في جميع أنحاء الجسم . وقد وُجد أن الدم ينتقل عبر الأوردة والشرايين الكبيرة بسرعة تقارب 0.33 متر/ثانية، مع وجود تباين ملحوظ، حيث تتراوح ذروة التدفق في الوريدين الأجوفين بين 0.1 و0.45 متر/ثانية (0.33 و1.48 قدم/ثانية) . ^{[ 18 ]} بالإضافة إلى ذلك، تتحرك العضلات الملساء للأعضاء الداخلية المجوفة . ولعل أبرز هذه الحركات هي التمعج ، حيث يُدفع الطعام المهضوم عبر الجهاز الهضمي . وعلى الرغم من اختلاف سرعة انتقال الأطعمة المختلفة عبر الجسم، فإن متوسط ​​سرعة مرورها عبر الأمعاء الدقيقة للإنسان يبلغ 3.48 كيلومتر/ساعة (2.16 ميل/ساعة) . ^{[ 19 ]} كما يُحدث الجهاز اللمفاوي حركة مستمرة للسوائل الزائدة والدهون ومنتجات الجهاز المناعي في جميع أنحاء الجسم. وقد تبين أن السائل اللمفاوي يتحرك عبر الشعيرات اللمفاوية في الجلد بسرعة تقارب 0.0000097 م/ث. ^{[ 20 ]}    

تحتوي خلايا جسم الإنسان على العديد من التراكيب والعضيات التي تتحرك داخلها. يُعدّ التدفق السيتوبلازمي إحدى طرق نقل الخلايا للمواد الجزيئية عبر السيتوبلازم ، ^{[ 21 ]} وتعمل بروتينات حركية متنوعة كمحركات جزيئية داخل الخلية ، وتتحرك على طول سطح ركائز خلوية مختلفة مثل الأنيبيبات الدقيقة . وتستمد هذه البروتينات الحركية طاقتها عادةً من تحلل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، وتحول الطاقة الكيميائية إلى شغل ميكانيكي. ^{[ 22 ]} وقد وُجد أن سرعة الحويصلات التي تدفعها البروتينات الحركية تبلغ حوالي 0.00000152 متر/ثانية. ^{[ 23 ]} 

وفقًا لقوانين الديناميكا الحرارية ، فإن جميع جسيمات المادة في حركة عشوائية مستمرة طالما أن درجة الحرارة أعلى من الصفر المطلق . وبالتالي، فإن الجزيئات والذرات التي تُكوّن جسم الإنسان تهتز وتتصادم وتتحرك. ويمكن إدراك هذه الحركة على شكل درجة حرارة؛ فدرجات الحرارة المرتفعة، التي تُمثل طاقة حركية أكبر في الجسيمات، تُشعر الإنسان بالدفء لأنه يستشعر انتقال الطاقة الحرارية من الجسم الذي يلمسه إلى أعصابه. وبالمثل، عند لمس أجسام ذات درجة حرارة منخفضة، تُدرك الحواس انتقال الحرارة بعيدًا عن الجسم على شكل شعور بالبرودة. ^{[ 24 ]}

في النموذج القياسي للمدارات الذرية ، تتواجد الإلكترونات في منطقة حول نواة كل ذرة، تُسمى السحابة الإلكترونية . ووفقًا لنموذج بور للذرة، تتمتع الإلكترونات بسرعة عالية ، وكلما كبرت النواة التي تدور حولها، زادت السرعة التي تحتاجها للتحرك. لو تحركت الإلكترونات في السحابة الإلكترونية ضمن مسارات محددة كما تدور الكواكب حول الشمس، لكانت سرعتها أعلى بكثير من سرعة الضوء. مع ذلك، لا يوجد ما يمنعنا من التقيد بهذا التصور الصارم (أي أن الإلكترونات تتحرك في مسارات محددة كما تفعل الأجسام العيانية)، بل يمكننا تصورها على أنها "جسيمات" تتواجد بشكل عشوائي ضمن حدود السحابة الإلكترونية. ^{[ 25 ]} داخل نواة الذرة ، من المحتمل أيضًا ^أن تتحرك البروتونات والنيوترونات بفعل التنافر الكهربائي للبروتونات ووجود الزخم الزاوي لكلا الجسيمين. [ ^{26 ]}

قد تبدو بعض الحركات للمراقب وكأنها تتجاوز سرعة الضوء. إذ يمكن أن تمتلك دفعات الطاقة المنطلقة على طول النفاثات النسبية المنبعثة من هذه الأجسام حركةً ذاتيةً تبدو أسرع من سرعة الضوء. ويُعتقد أن جميع هذه المصادر تحتوي على ثقب أسود ، مسؤول عن قذف الكتلة بسرعات عالية. كما يمكن أن تُنتج أصداء الضوء حركةً ظاهريةً أسرع من سرعة الضوء. ^{[ 29 ]} ويحدث هذا بسبب الطريقة التي تُحسب بها الحركة غالبًا على مسافات طويلة؛ إذ غالبًا ما تفشل الحسابات في مراعاة حقيقة أن سرعة الضوء محدودة. عند قياس حركة الأجسام البعيدة عبر السماء، يوجد تأخير زمني كبير بين ما تم رصده وما حدث بالفعل، نظرًا للمسافة الكبيرة التي يقطعها الضوء من الجسم البعيد للوصول إلينا. وينشأ الخطأ في الحساب البسيط المذكور أعلاه من حقيقة أنه عندما يكون للجسم مركبة سرعة موجهة نحو الأرض، فإن هذا التأخير الزمني يقل كلما اقترب الجسم من الأرض. وهذا يعني أن السرعة الظاهرية المحسوبة أعلاه أكبر من السرعة الفعلية. وبالمثل، إذا كان الجسم يتحرك مبتعداً عن الأرض، فإن الحساب المذكور أعلاه يقلل من تقدير السرعة الفعلية. ^{[ 30 ]}